光栅信号前置处理电路设计

0 引 言

21世纪以来，随着美国“先进制造业伙伴计划”、德国“工业4.0”等创新战略计划的提出，拉开了以智能制造为主导的第四次工业革命的序幕[1]。我国为了跟上时代的步伐实现由制造业大国向制造业强国的转变，提出了“中国制造2025”的战略计划。数控机床是制造执行体系的基本单元，也是现代化大生产的主要特征之一，在生产制造业产生着巨大的经济和社会效益[2-3]。数控机床中工件的装夹定位及加工精度是评价机床性能的一个重要指标，高精度、高分辨率的位移检测是保证产品加工质量的重要手段[4-6]，所以高精密位移测量技术对数控机床的进步和发展起着决定性的作用。光栅编码器位移测量系统因具有高精度、高分辨率、响应速度快以及可以实现实时动态测量的优点，而被广泛应用于数控机床[7-11]。

光栅编码器位移测量系统的测量精度由光栅信号的细分精度决定，而光栅信号的细分精度受光栅信号质量的制约。光栅信号本身含有较大的直流分量，将光栅编码器实际应用于数控机床时，其光栅信号受高频噪声影响较为严重[12]。为了获得纯净的光栅信号实现光栅编码器位移测量系统的高精密测量，需要对光栅信号进行前期的去直流和滤波处理。又因噪声频带较宽且光栅信号的频率无规律性可寻，所以光栅信号前置处理电路需要具有自适应性。

本文设计了一种光栅信号前置处理电路，来减小由直流分量及高频噪声对光栅信号细分精度产生的影响，进而提高光栅编码器位移测量系统的测量精度。利用差分放大电路对共模信号的抑制作用来去除光栅信号中的直流分量。通过由数字电位器构成的2阶Sallen-Key自适应低通滤波电路滤除光栅信号中的高频噪声。该前置处理电路可以有效去除光栅信号中的直流分量，并跟踪光栅信号频率实现自适应滤波。其输出的信号满足后续光栅信号高倍细分的要求，为实现光栅编码器位移测量系统的高精度测量打下坚实基础。

1 总体设计

光栅编码器输出的光栅信号为4路理论上相位相差90°的正弦信号，由于原始光栅信号中含有较大的直流分量及噪声，使光栅信号细分倍数受到限制，所以需要对信号进行前置处理。经过处理后的信号为一路正弦信号和一路余弦信号。光栅信号前置处理电路由差分放大电路、测频电路、单片机、自适应滤波电路以及存储器组成，总体框图如图1所示。其中，差分放大电路用于去除原始光栅信号中的直流分量和偶次谐波；测频电路用于测量光栅信号的频率；单片机用于控制数字电位器进行阻值调节以及对存储器进行读写；自适应滤波电路用于滤除信号中的噪声；存储器用于存储自适应滤波电路的截止频率-阻值对照表。

2 硬件设计

2.1 差分放大电路

光栅编码器输出的光栅信号带有较大的直流分量，所以需要设计一个具有去直流功能的信号处理电路。差分放大电路是一种应用广泛的信号处理电路，它对差模信号有较强的放大能力，而对共模信号有较强的抑制能力[13]。可以有效的消除光栅信号中的直流分量以及偶次谐波。如图2为本文所采用的差分放大电路图，输入信号U1+U1msin ωt、U2-U2msin ωt分别由输入电阻加在运放的同相端和反相端，输出则为一路正弦信号，另外两路信号采用同样的输出方法输出为一路余弦信号。为了保证运放输入平衡，一般要求输入电阻相等，即R1=R2，R3=R4[14]。

图1 总体设计框图

图2 差分放大电路

2.2 测频电路

测频电路由滞回比较电路与单片机的定时/计数器组成，如图3所示。通过这种方式对信号进行测频，其测频精度与门控时间设置有关，门控时间越长测频精度越高，但实时性差。因本文对测频精度要求不高，所以将单片机定时器T0的门控时间设置为50 ms，计数器T1对在门控时间内通过的方波信号进行计数，在门控时间结束时查看计数器T1的计数值N，利用下式便可计算出当前输入的光栅信号频率：

图3 测频电路

fi=20N

(1)

2.3 自适应滤波电路

因光栅信号应用于数控机床时易受高频噪声干扰，所以需要对其进行滤波处理。滤波电路阶数越高滤波效果越理想，但对硬件精度要求高且电路易产生振荡，所以根据实际需要本文设计了一款2阶Sallen-Key自适应低通滤波电路，如图4所示。

图4 2阶Sallen-Key自适应低通滤波电路

该滤波电路的设计方程如下：

其中，式(2)是2阶Sallen-Key低通滤波电路传递函数的典型表达式。根据式(5)可以计算出该滤波电路的截止频率。当R1=R2=R，C1=C2=C时，式(5)可以简化为式(6)。式(2)～(6)中：Q为品质因数；ωc为特征角频率(rad·s-1)；R1、R2为滤波电路中的电阻(Ω)；C1、C2为滤波电路中的电容(μF); fc为滤波电路截止频率(Hz)。

由于光栅信号频率在0～20 kHz不断变化，所以滤波电路需要具有跟踪光栅信号频率的变化来改变自身截止频率的能力，即自适应性。由上述公式可以发现，通过改变电阻值便可改变截止频率，因此，将电阻R1、R2用数字电位器来代替，单片机根据光栅信号频率控制数字电位器改变阻值，进而改变滤波电路的截止频率，实现自适应滤波。

该滤波电路的核心器件是单片机和数字电位器。其中，单片机采用的是STC89C52RC，数字电位器采用的是AD5293。AD5293是一个单通道，分辨率为10 bit的数字可变电阻器[15]。该数字电位器采用SPI串行通信方式，本文采用STC89C52RC模拟SPI接口与之通信，对AD5293进行初始化和设置。单片机和数字电位器的通信采用Daisy-Chain的控制方式，这样可以减少I/O口的使用，如图5所示。

图5 Daisy-Chain示意图

为了提高滤波电路的截频设置精度将数字电位器以串并联的方式组合之后作为2阶Sallen-Key电路中的一个电阻使用，如图6所示。当2阶Sallen-Key自适应低通滤波电路采用两个未组合数字电位器分别替换电路中的电阻R1、R2时，其允许通过的光栅信号频率范围为0～10 kHz，无法满足本文要求。若采用两个组合之后的数字电位器分别代替电阻R1、R2，其允许通过的光栅信号频率范围为0～21 kHz，可以满足要求。

图6 数字电位器串并联示意图

表1是输入的光栅信号频率为1、3、5、7、9 kHz时，单个数字电位器组成的2阶Sallen-Key自适应低通滤波电路的截止频率fc1和串并联后的数字电位器组成的2阶Sallen-Key自适应低通滤波电路的截止频率fc2理论值与实际值的比较结果及相对误差。通过对比可以发现，将数字电位器串并联之后组成的自适应低通滤波电路的截止频率能跟踪光栅信号频率自动适应，且有良好的线性关系。

表1 并联前后截止频率理论值与实测值对照表

3 软件设计

软件部分的设计流程图如图7所示，系统上电后，首先对数字电位器进行初始化，然后单片机对输入信号进行测频，根据测频结果在存储器内的阻值频率对照表中进行查找相近的频率值，该频率值要稍微大于或等于测量值以便于滤波更精确，最后单片机根据查找到的频率值所对应的阻值对数字电位器进行调节进而改变滤波器的截止频率完成滤波。

图7 软件设计流程图

4 实验结果分析

在实验时设置输入信号频率fi在0～20 kHz变化，用示波器观察光栅信号前置处理电路对输入信号的处理效果。图8～9所示分别为输入光栅信号频率为12 Hz和20 kHz，噪声频率为37 Hz和41 kHz，滤波器截止频率为12.2 Hz和20.56 kHz时，信号处理前后对比图，其中通道1为输入带有噪声的光栅信号波形，通道2是前置处理电路的输出信号波形，通过对比发现，该光栅信号前置处理电路的处理效果良好。

图8 12 Hz处理前后波形对比图

图9 20 kHz处理前后波形对比图

5 结 论

本文主要介绍了光栅信号前置处理电路的原理及结构，设计了处理电路的硬件和软件。通过理论研究和实验分析可得出如下结论：

(1) 对于频率变化范围在0～20 kHz，幅值为(0.5±3.5)V的光栅信号，该前置处理电路可以有效去除信号中的直流分量以及用于数控机床时受到的高频噪声。

(2) 该光栅信号前置处理电路中的滤波电路部分相对于普通自适应低通滤波电路而言，截频设置精度更高，其截止频率相对误差小于3.5%。滤波效果良好，自适应能力强。

(3) 该光栅信号前置处理电路还存在一些不足之处有待进一步研究和改进，以提高该前置处理电路的实时性。